車聯網GPS/SINS組合定位分析研究

陳閩濤，趙紅霞，楊璟，陳永喜

（江西科技學院信息工程學院，江西南昌 330098）

汽車移動物聯網簡稱為車聯網，它將車載導航定位系統、網絡信息平臺，移動通訊技術及智能終端設備相結合，一方面實現了車與車、車與城市、車與路之間的信息互聯互通；另一方面實現了對路、車、位置、人等信息進行全面的管理和監控，目前主要應用于防盜報警、車輛調度、節約能源和醫療救助等方面。

國外對于車聯網中車輛盲區定位的研究雖然很早,但是目前在市面上用于解決盲區車輛定位的慣性導航產品，因其功能單一、價格昂貴、不能二次開發，所以無法滿足實際需求。而國內在該領域的起步相對較晚。目前，關于車聯網中車輛盲區定位的研究在國內還沒有形成規模，大部分研究還處在對于基礎算法的探索上，還沒有形成一套完整的研發與商用體系，還有許多問題亟需解決，比如：尋找出精確度更高的測距方法、解決車輛盲區自主定位時存在的誤差積累的問題、解決一些相關定位與通訊設備在應用中的相互串擾與各自損耗問題等。本文根據當前GNSS盲區中的車輛定位要求，重點研究了盲區中車輛自主定位的誤差積累問題，提出了一種車聯網GPS/SINS相組合的新的定位導航技術。

1 GPS/SINS組合定位的優點

車聯網系統的中心部分即車載定位導航系統。而車輛導航定位領域的兩大技術分別是捷聯慣性導航系統（SINS，strapdown intertial navigation system）和全球定位系統（G PS，globa positioning system）。捷聯慣性導航系統（SINS）在丟星條件下運用牛頓第一定律測算出載體在慣性參考系中的加速度信息，然后再對其進行積分變換，從而獲得車輛在具體位置的定位參數信息。但SINS因慣性測量平臺固定漂移率所產生的誤差具有時間累積性無法實現高精度長時間的定位。GPS之所以可提供實時、全天候車輛載體的高精度速度信息和位置信息，且誤差不隨時間積累，是因為采用測距、多星、髙軌體制。但GPS也有它的缺點，即在隧道和城市高樓等衛星被遮擋區域易受干擾，甚至因丟星而無法定位。因此，結合GPS與SINS系統存在的優缺點，文中提出了一種車聯網GPS/SINS相組合的新的定位導航技術。令慣性導航系統（INS）和衛星導航系統（GPS）相互組合可揚長避短，發揮各自的優勢，彌補各自的缺點。總結起來兩者組合的優點主要體現在如下幾個方面：

1.1 提高可靠性正確性

眾所周知，捷聯慣性導航系統（SINS）的系統誤差將伴隨時間的積累而不斷累加，而衛星導航系統的系統誤差則不會隨著時間的推移而累加，且GPS定位精度較髙，所以當衛星導航系統(GPS)處于有效狀態時，可解決捷聯慣性導航系統（SINS）的保持系統穩定運行和空中校準的難題。如果GPS信號受到干擾，組合定位系統仍舊可以通過捷聯慣性導航系統在較短時間內計算出相對準確的狀態、位置、速率等定位信息。因此，組合定位系統的可靠性和正確性一定優于單獨使用衛星導航系統或者捷聯慣性導航系統。鑒于此，在實際應用中便提出了將SINS設備當中嵌入GPS用戶接收機電路板即組合導航一體機的方案，即一方面可以有效節約經濟成本；另一方面又可以提髙導航設備的便攜性。

1.2 提高輸出速度減少校準時間

捷聯慣性導航系統（SINS）的初始化時間較長，一般需要十幾分鐘才能完成，但其比GPS有著更快的導航信息輸出速率，并且接收導航信息沒有延遲時間；衛星導航系統（GPS）的導航信息的輸出速率較慢，一般為1-50HZ且導航信息接收時間一般會拖延0.1～0.5秒鐘，而用戶接收機的初始化時間一般在2分鐘之內。由于航行載體的設計對衛星導航系統的導航數據精確度和系統性能的影響都很大，實時性要求很難達到。因此，有效的結合GPS與SINS系統，一方面可以解決導航信息的接收時延問題，提髙導航信息的輸出速度問題；另一方面可以減少系統的初始化校準時間。

1.3 提高抗干擾能力

在GPS和SINS系統的超緊組合可實現GPS用戶接收機對衛星星座的實時跟蹤，有效地提髙用戶接收機抵御外界干擾的能力。

綜合上述分析，得出如下結論：將GPS/SINS組合定位導航系統應用于車聯網中，一方面解決慣性導航系統隨時間積累的誤差増長問題，提高車聯網系統的精準度；另一方面可使車聯網系統的導航定位信息更加實時可靠。

2 GPS/SINS組合定位系統設計

本系統建立了多級客戶中心，采用以客戶機/服務器結構（C/S）為主、瀏覽器/服務器結構（B/S）為輔的架構。系統由4部分組成：衛星導航系統（GPS）、車載模塊、GPRS網絡、車輛網系統服務器.系統如圖1所示。本系統采用GPS/SINS組合定位方法，聯系相關的數據處理技術、汽車電子技術、電子地圖技術等，將GPRS網絡作為基本通訊平臺，以此有效地監控車載設備返回的數據。

圖1 車聯網GPS/SINS組合定位系統

該系統的車載模塊主要包括語音部分、移動通信終端和GPS終端。語音部分和移動通信網負責實現車輛駕駛人員與服務器中心的實時互動；GPS終端的職能是接收衛星導航系統送出的定位信息，然后計算出車輛的具體位置，最后再通過移動通信部分發送到車聯網系統服務器。

2.1 GPS衛星導航系統

GPS可以提供行駛路線監控，車輛定位、防盜、反劫以及呼叫指揮等功能。衛星導航系統（GPS）構成結構如圖2所示。包括空間部分、地面控制系統和用戶設備3個主要元素。

圖2GPS衛星系統

該系統中GPS接收機包括主機、電源、天線、圖形顯示界面和數據處理軟件，它是GPS系統的最重要的設備。GPS接收機的主要功能是將接收到的GPS定位信息進行信號放大和變換，并計算出衛星到載體接收機天線的傳播時間，最后實時地計算顯示出載體的三維位置（經度、高程和緯度）、時間和速度。5個監控站、3個注入站和1個主控站構成了地面控制系統。該地面監控系統的功能包括三個方面：一是監測衛星上的各種裝備能否正常運轉；二是接收每顆GPS衛星所發送的星歷，三是對沒有沿著預定軌道運行的衛星進行控制更改。空間部分包括備用衛星3顆、導航的衛星21顆，即總共24顆GPS衛星。該24顆衛星構成GPS衛星星座，它們均勻分布在6個軌道平面內，平均每一軌道平面上分配有4顆衛星，每顆GPS衛星都送出定位信息。

GPS系統利用高軌、多星測距體制，當來自不同方位的4顆衛星發出的星歷參數和時間信號到達用戶接收機時，先將其進行計算與距離測量，然后再將接收機所在的時間、速度和三維位置顯示出來。

2.2 車聯網系統服務器

服務器中心的定位系統是整個車聯網定位系統能否實現的核心要素。它由車輛調度子系統、信息管理子系統和地理信息子系統組成。（1）車輛調度子系統的功能如下：一是查詢車輛位置，并通過監控終端在電子地圖上顯示出來;二是設置區域報警并在監控終端指揮中心的電子地圖上顯示相應范圍。當區域范圍報警設置完成后，一旦車輛離開或進入設置的區域后將發出報警信號；三是調度中心用人工語音或短信息的方式對目標車輛進行實時調度。如果在車輛不受指揮或出現異常，調度中心可以自動對車輛執行遙控指令。除此之外，調度中心不但可以廣播的形式同時自動向多臺車發出調度命令，還可向單個或部分車輛發送命令，并在車載單元的顯示器上顯示出來；（2）信息管理子系統的主要功能如下：一是對不同人員訪問、操作不同模塊的權限進行修改和設置；二是對日常操作如車輛定位、消息接收發送等進行統計、查詢等等簡單操作；三是對駕駛員信息和車輛信息進行機器化、自動化、智能化管理。（3）地理信息子系統的職能即對地圖進行任意開窗漫游、放大、縮小等，調整GIS比例。當圖形開窗縮小與放大時，為了使屏幕承載度合理，避免屏幕顯示過密，可根據圖形縮放比例的不同，顯示不同詳細程度的地圖內容。為了掌控全局，主窗口右下角另開一個小窗口顯示全局,顯示車輛當前的運動方向、速度和位置，同時主窗口顯示放大的局部地圖內容。

2.3 GPRS網絡

GPS接收器采集到的數據通過GPRS網絡與服務器建立連接并進行數據傳輸。而數據傳輸過程中需要遵照必要的網絡傳輸協議。因為TCP協議為網絡中的各個主機提供面向連接的可靠通訊服務，所以選擇TCP協議。

2.4 車載GPS/SINS定位模塊

硬件電路和軟件設計兩部分構成了GPS/SINS組合定位系統。該系統的硬件電路部分主要包括GPS接收模塊、加速度傳感器、中央處理器、陀螺儀傳感器單元等。在丟星的情況下由陀螺儀傳感器和加速度傳感器實時完成車輛的位置、速度和航向信息采集，經轉換后將數據傳遞給中央處理器進行計算處理。整個系統算法流程如圖3所示。

圖3 系統算法流程圖

3 系統實驗

在城市內隨機選擇某一道路，比如社區小道、主干道和快速道，然后分別使用GPS/SINS組合車輛定位系統和普通GPS定位系統記載沿路位置坐標，然后分別標注在地圖上，如圖4.1和4.2所示。

圖4.1 GPS定位

圖4.2 GPS/SINS組合定位

通過實驗對比可得出結論：對于距離建筑物近的社區小路，如果采取普通GPS定位系統則會出現大量GPS信號丟失，無法準確定位的問題，因此采用組合定位可達到精確定位的要求。

4 結語

本文通過對測試過程中試驗車輛的位置信息數據進行提取分析，驗證得出GPS/SINS組合車輛定位系統可以得到連續的定位信號，并同時提髙位置信息采集的覆蓋率，可以解決城市中由于信號反射和建筑物群遮擋造成的無法連續定位或定位不精確的問題，改進了普通車輛GPS定位系統。鑒于此，本文驗證了GPS/SINS組合定位方式可有效地為車聯網提供定位信息以及GPS/SINS組合定位技術在車聯網系統中應用的適用性。

[1]李興.GPS/DR/MM車輛組合導航定位系統研究[J].湖北汽車工業學院學報,2014(2):66～69.

[2]Zhu Yi-yun,Liu You-rong.Application of GPS Technology in High Cut Slope SafetyMonitoring[J].Hydro-Science and Engi?neering,vol.3,Sep,2016:103～105.

[3]秦永元．慣性導航［M］．北京：科學出版社，2014：170～1734.

[4]劉晶璟.采用加速度傳感器技術實現盲區定位的研究和開發[J].計算機應用與軟件,2015(3):274～277.

[5]Van Dierendonck,A.J.The GPS Navigation Message.GPS Pa?pers Published in Navigation,Vol.I,Washington D.C.Insti?tute of Navigation,2016.

[6]Chiou Y S,Tsai F,Yeh S C.A Dead-Reckoning Positioning Scheme Using Inertial Sensing for Location Estimation[C].IEEE International Conference on Intelligent Information Hid?ing and Multimedia Signal Processing(IIH-MSP),2016:377-380.

[7]丁承君,李根,苑光明等.面向消防、救援、治安的無盲區定位系統的研究[J].天津工業大學學報,2014(01):59-64.

[8]李秀菊.我國交通運輸經濟發展現狀及發展對策[J].中國管理信息化,2014(17):112-113.

[9]Rouhi R,Jafari M,Kasaei S,et.Benign and malignant breast tu?mors classification based on region growing and CNN segmen?tation[J],ExpertSystemswith Applications,2015,42(3):990-1002.

[10]University of California,Berkeley.Caffe/Deep Learning Framework://caffe.Berkeley vision.org/.2015-10-18．